JP4916044B2 - 炭化水素油の水素化処理触媒及び炭化水素油の水素化処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素油の水素化処理触媒及び炭化水素油の水素化処理方法に関し、特に灯軽油留分をはじめとする炭化水素油などの水素化脱硫用触媒として有効な水素化処理触媒及び炭化水素油の水素化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球規模で環境破壊が極めて深刻な問題となっている。特に、石油類や石炭等の化石燃料の燃焼に伴って発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）を大気中に放出すると、これらが酸性雨や酸性霧となって森林や湖沼等の環境を著しく破壊する。なかでも、ＳＯｘが深刻であり、発生後の後処理によってある程度低減できるが、燃料油中の硫黄分を効率よく除去することも重要である。以上のように環境保護の観点から、軽油の硫黄分の品質規制が強化される中、脱硫のより一層優れた活性を有する水素化処理触媒の開発が望まれている。
【０００３】
従来より、軽油の水素化脱硫触媒としては、アルミナ等の耐火性無機酸化物担体にコバルトとモリブデンを担持した触媒が用いられている。その脱硫活性は活性金属であるモリブデンの状態に非常に左右されることが知られており、モリブデンの担持状態を改善するため、アルミナ以外の担体や、アルミナと他の酸化物を複合した担体が検討されている。その中でチタニア成分が脱硫活性を向上させることは知られており、チタンをアルミナに担持する方法、アルミナとチタニアを共沈させる方法がある。
【０００４】
チタンをアルミナへ担持する方法については、▲１▼四塩化チタン水溶液を用いて含浸する方法、▲２▼チタニウムイソプロポキシドのイソプロパノール溶液を用いて含浸する方法（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ，６３（１９９０）３０５−３１７）、および▲３▼飽和四塩化チタンをガス状に誘導し熱によりアルミナへ化学蒸着させる方法（特開平６−１０６０６１号公報）などが検討されている。
【０００５】
上記のチタンをアルミナに担持する方法、アルミナとチタニアを共沈させる方法いずれの場合でも、活性金属である周期律表第６族及び周期律表第８〜１０族の金属を担持した後、触媒体を５００℃程度の高温で焼成する過程を含んでおり、チタニア上の活性金属の凝集を引き起こす場合があり、触媒活性の低下につながるという問題がある。
【０００６】
さらに、▲２▼のケースでは、アルコールを使用するため、プロセスの中でアルコール回収工程が必要となり経済的に不利となる。また、▲３▼のケースでは、通常の溶液を用いた含浸法と異なり、ガスとして原料を送り込み、担体を一定の温度に制御したところへ分解担持させるという方法で、温度管理、設備面の管理等、複雑かつ製造設備面で困難が生じると考えられる。さらに、担体上に塩素が担持されてしまうため、該耐火性無機酸化物担体を高温かつ還元雰囲気で使用すると塩化水素が発生し装置腐食を引き起こす等の問題もある。
一方、アルミナとチタニアを共沈させる方法については、チタニアの添加量を１５質量％以上と大量でないとチタニアの効果は十分発揮されず経済的に不利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記観点からなされたもので、脱硫活性が一層改良された水素化処理触媒及びその触媒を使用する炭化水素油の水素化処理方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究の結果、水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、周期律表第６族金属化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種含む水溶液を含浸し担持した後、３００℃以下で熱処理することにより上記本発明の目的を効果的に達成しうることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨は下記のとおりである。
１．水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、三酸化モリブデン及び三酸化タングステンから選ばれる少なくとも一種、炭酸ニッケル及び炭酸コバルトから選ばれる少なくとも一種、並びにリン化合物として五酸化リン及び／又は正リン酸を含み、さらに水溶性有機化合物としてポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンフェニルエーテル及びポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一種を含む水溶液を含浸し担持した後、乾燥後、担持成分の凝集を生じさせず触媒の活性金属を担体に安定化させるために８０〜１５０℃で熱処理する炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
２．水溶性有機化合物がポリエチレングリコールである前記１に記載の炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
３．前記１又は２に記載の製造方法により得られた炭化水素油の水素化処理触媒を使用することを特徴とする炭化水素油の水素化処理方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本願発明は、水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、周期律表第６族金属化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種含む水溶液を含浸し担持した後、３００℃以下で熱処理してなる炭化水素油の水素化処理触媒である。
【００１１】
本発明において、耐火性無機酸化物として、アルミナ，シリカ，シリカ・アルミナ，マグネシア，酸化亜鉛，結晶性アルミノシリケート，粘土鉱物又はそれらの混合物が使用される。中でも、アルミナ、特にγ−アルミナが好ましい。その平均細孔径は５０〜１５０Åの範囲のものが好ましく、６０〜１４０Åの範囲のものがより好ましい。形状については、粉体でもよく、円柱，三つ葉，四つ葉等の成形体でもよい。
【００１２】
次に、耐火性無機酸化物に担持される周期律表第４族の金属としてチタン、ジルコニウムを挙げることができ、中でもチタンが好ましい。
水溶性の周期律表第４族金属の化合物として、硫酸チタン，塩化チタン，過酸化チタン、シュウ酸チタン，酢酸チタン，オキシ塩化ジルコニウム，硫酸ジルコニウム等の水溶性チタン、水溶性ジルコニウムを好適に挙げることができる。
【００１３】
水溶性の周期律第４族金属化合物の担持については、溶液を担体が吸水する量に調整して含浸する、所謂ポアフィリング法、または大過剰の溶液に浸漬する方法も用いることができ、常圧又は減圧で行うことができる。
【００１４】
その場合、含浸溶液としては、水または塩酸水溶液、硫酸水溶液などにより金属化合物を溶解させ、安定にしたものを使用すればよい。
また、特にチタンの場合、水溶性のチタン化合物として、チタンペルオキソヒドロキシカルボン酸やそのアンモニウム塩を使用するとチタンの添加の効果が大きく好ましい。そのヒドロキシカルボン酸として、クエン酸，リンゴ酸，乳酸，酒石酸を用いることができる。
【００１５】
上記周期律表第４族金属の担持量は、酸化物基準で、耐火性無機酸化物担体に対して、好ましくは０．５〜３０質量％（より好ましくは１〜１５質量％）である。担持量が少なすぎると、その金属添加の効果が十分発揮されない場合があり、担持量が多すぎると、担持する金属溶液が高濃度となって不安定となり、該金属の担体上への偏積もしくは凝集が生じる場合があり好ましくない。
【００１６】
周期律表第４族金属化合物の含浸終了後、水分を除去するために、常圧または減圧で、好ましくは５０〜１５０℃（より好ましくは１００〜１２０℃）の温度で、０．５〜１００時間乾燥させる。さらに、アルミナ担体との結合性を高めるために、必要により焼成を実施する。焼成温度は、好ましくは４００〜６５０℃（さらに好ましくは４５０〜６００℃）で、焼成時間は、通常０．５〜１００時間である。
【００１７】
また、陰イオンとして硫酸根や塩素根を含む場合、その陰イオンを５質量％以下にすることが、続いて担持する活性金属の分散性の低下による触媒の活性低下を抑制するために望ましい。そのためには、焼成の際空気の他に水蒸気を同伴させたり、乾燥の前又は焼成後に、水、又はアンモニアや炭酸アンモニアを添加した水で洗浄すればよい。なお、焼成後に洗浄を行った場合、再度乾燥を行う必要がある。
【００１８】
最後に、活性金属化合物として周期律表第６族化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種及び、必要によりリン化合物を担持する。
周期律表第６族金属として、モリブデン，タングステンが好適に挙げられ、特にモリブデンが好ましい。モリブデン化合物としては、三酸化モリブデン，パラモリブデン酸アンモニウム等が使用され、タングステン化合物としては、三酸化タングステン，タングステン酸アンモニウム等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で好ましくは４〜４０質量％、さらに好ましくは８〜３５質量％である。
【００１９】
周期律表第８〜１０族の金属として、通常、コバルト又はニッケルが挙げられる。ニッケル化合物としては、硝酸ニッケル，炭酸ニッケル等が使用され、コバルト化合物としては、硝酸コバルト，炭酸コバルト等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で好ましくは１〜１２質量％、さらに好ましくは２〜１０質量％である。
【００２０】
リン化合物としては、五酸化リン、正リン酸等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で０．５〜８質量％、好ましくは１〜６質量％である。
上記の活性金属化合物を含浸法により担持する。以上の周期律表第６族金属化合物、第８〜１０族金属化合物、リン化合物の３グループに属する金属化合物は別々に含浸してもよいが、同時に行うのが効率的である。上記の金属化合物を、周期律表第６族金属は０．７〜７．０モル／リットル、周期律表第８〜１０族の金属は０．３〜３．６モル／リットル、リン化合物は０〜２．２モル／リットルの割合で純水に溶解させ、担体に吸水率と等量になるように調整後含浸する。含浸時のｐＨは含浸液の安定性を考慮して一般には酸性領域では１〜４、好ましくは１．５〜３．５である。また、アルカリ性領域では９〜１２、好ましくは１０〜１１である。このｐＨの調整方法は特に限定されないが、硝酸，塩酸，硫酸等の無機酸、リンゴ酸，クエン酸，エチレンジアミン４酢酸等の有機酸、アンモニアなどを使用して行うことができる。
【００２１】
また、特にリン化合物で安定化させた含浸液には水溶性有機化合物を添加することが好ましい。
その水溶性有機化合物として、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、ブタントリオール、１，２−プロパンジオール、１，２−ペンタンジオール等のジオール類；５−メチル−１−ヘキサノール、イソアミルアルコール（３−メチル−１−ブタノール）、ｓ−イソアミルアルコール（３−メチル−２−ブタノール）、イソウンデシレンアルコール、イソオクタノール、イソペンタノール、イソゲランオール、イソヘキシルアルコール、２，４−ジメチル−１−ペンタノール、２，４，４−トリメチル−１−ペンタノール等の炭素数４以上のイソ体のアルコール；２−ヘキサノール、３−ヘキサノール等の炭素数５以上で末端の炭素以外にヒドロキシル基が結合しているアルコール；ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル等のエーテル基含有水溶性高分子；ポリビニルアルコール等の水溶性高分子；サッカロース、グルコース等の各種糖類；メチルセルロース、水溶性でんぷん等の水溶性多糖類もしくしはその誘導体などを挙げることができ、単独でも二種類以上を混合して使用することもできる。
【００２２】
上記の水溶性有機化合物の添加量は、担体の質量に対して、好ましくは、２〜２０質量％（より好ましくは３〜１５質量％）とすればよい。
含浸後、触媒の活性金属を担体に安定化させるために熱処理するが、その温度は３００℃以下で、好ましくは７０〜３００℃である。８０〜１５０℃の範囲が特に好ましい。熱処理温度が高すぎると、担持成分の凝集が生じ十分な活性を得ることができず、低すぎると、担持成分と担体と十分な結合を持つことができず十分な活性を得ることができない場合がある。上記の熱処理は空気中で行うもので、通常３〜１６時間である。
【００２３】
なお、耐火性無機酸化物に、チタン化合物として、チタンペルオキソヒドロキシカルボン酸やそのアンモニウム塩を担持している場合には、上記の熱処理を３００℃以上で行っても差し支えない。
【００２４】
上記で得られた触媒の平均細孔径は通常４０〜１４０Å、好ましくは６０〜１３０Åであり、比表面積は通常１２０〜４００ｍ2 ／ｇ、好ましくは１４０〜３５０ｍ2 ／ｇである。また、全細孔容量は通常０．２〜１．０ｃｃ／ｇ、好ましくは０．２５〜０．９ｃｃ／ｇである。
なお、上記の平均細孔径と全細孔容量は水銀圧入法で測定し、比表面積は窒素吸着法で測定したものである。
【００２５】
もう一つの発明は、上記の水素化触媒を使用した炭化水素油の水素化処理方法である。
水素化処理を行う際には、予め安定化処理として予備硫化を行うことが望ましい。この予備硫化処理の条件は特に限定されないが、通常、予備硫化剤として、硫化水素，二硫化炭素，チオフェン，ジメチルジスルフィド等を挙げることができ、処理温度２００〜４００℃、処理圧力常圧〜３０ＭＰａの範囲で行われる。
【００２６】
水素化処理条件については、原料油の種類や目的により異なるが、一般的には反応温度２００〜５５０℃（好ましくは２２０〜５００℃）、水素分圧１〜３０ＭＰａ（好ましくは２〜２５ＭＰａ）の範囲で行われる。
【００２７】
反応形式は特に限定されないが、通常は、固定床，移動床，沸騰床，懸濁床等の種々のプロセスから選択できるが、固定床が好ましい。また、原料油の流通法については、ダウンフロー、アップフローの両形式を採用することができる。
【００２８】
固定床の場合の温度、圧力以外の反応条件としては、液空間速度（ＬＨＳＶ）は０．０５〜１０ｈｒ-1（好ましくは０．１〜５ｈｒ-1）、水素／原料油比は１５０〜２，５００Ｎｍ3 ／ｋｌ（好ましくは２００〜２，０００Ｎｍ3 ／ｋｌ）である。
【００２９】
処理する炭化水素油として、全ての石油留分を用いることができるが、具体的には灯油，軽質軽油、重質軽油、分解軽油等から常圧残油，減圧残油，脱蝋減圧残油，アスファルテン油，タールサンド油まで巾広く挙げることができるが、軽油留分の硫黄分を５０ｐｐｍ以下にするのに本発明は特に有効である。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら制限されるものではない。
〔実施例１〕
吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇに、その吸水量に見合うように市販の硫酸チタン３０質量％水溶液５２．９ｇを純水にて希釈し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空にて乾燥させた後、１２０℃で３時間乾燥機にて乾燥させ、５００℃で４時間焼成し担体（Ｂ１）を得た。
【００３１】
該担体中の硫酸根（ＳＯ4 2- ）の残存量をＬＥＣＯ（高周波燃焼赤外検出装置）により測定し、その量が担体に対し５質量％以上であったため、２リットルのビーカーに担体Ｂ１を入れ、純水１リットルを加え、攪拌羽により攪拌洗浄し、担体の径より小さな篩に純水ごと注いだ。この操作を３回繰り返しところ、硫酸根の残存量が２質量％となった。その後、１２０℃で５時間乾燥させ、水分を除去した。
【００３２】
次に、炭酸ニッケル６９．５ｇ（ＮｉＯとして３９．７ｇ）、三酸化モリブデン２２０ｇ、正リン酸３１．５ｇ（純度８５％：Ｐ2 Ｏ5 として１９．５ｇ）を純水２５０ｃｃに加えて、攪拌しながら８０℃で溶解させ、室温に冷却後、再び純水を加えて２５０ｃｃに定容し、含浸液（Ｓ１）を調製した。
【００３３】
含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ１）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒１を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３４】
〔実施例２〕
四塩化チタン５００ｇ及びを純水１リットルを氷にて冷却しておいた。純水を攪拌しておき、そこに冷却しながら徐々に四塩化チタンを滴下した。激しい発熱・白煙を生じたが、その後、無色のチタニアゾルを得た。このチタニアゾル溶液に、１．２倍等量のアンモニア水（濃度：１モル／リットル）を滴下し、１時間攪拌し、水酸化チタンのゲルを得た。そのゲルを吸引濾過で分別し、約１リットルの純水に再分散させ濾過洗浄した。この操作を洗浄液が中性になるまで４回繰り返し、塩素根を取り除いた。
【００３５】
得られた水酸化チタンゲルの含水率を測定し、チタニアとして１１ｇ採取した。２５質量％アンモニア水を５０ｃｃ添加し、３０分間攪拌した。さらに、３０質量％過酸化水素水を３８ｃｃを徐々に添加し、黄色のチタンペルオキソチタン溶液を得た。それにクエン酸を２９ｇ徐々添加して、攪拌しながら徐々に昇温させ５０℃にて余剰の過酸化水素水を除去した。さらに、８０℃にて加熱し、錯体形成させることにより完全に溶解させ、次いで全量が１１７ｃｃになるまで濃縮し、橙色透明のチタンペルオキソクエン酸アンモニウム（Ｔ１）を得た。
【００３６】
吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇに、Ｔ１水溶液６０ｃｃをその吸水量に見合うように純水で希釈し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空にて乾燥後、１２０℃で３時間乾燥機にて乾燥させ、５００℃で４時間焼成し担体（Ｂ２）を得た。
【００３７】
次に、実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ２）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒２を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３８】
〔参考例１〕実施例２と同じ条件で担体（Ｂ２）を調製し、含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ２）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥させた後、１２０℃で３時間、続いて５００℃で３時間熱処理し、触媒３を得た。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３９】
〔比較例１〕
実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒４を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４０】
〔比較例２〕
実施例１において、活性金属を同様にして含浸した後、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で３時間、続いて５００℃で３時間熱処理し、触媒５を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４１】
〔比較例３〕
加温攪拌器に、６０℃の純水１５リットル入れ、アルミン酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムをそれぞれ、Ａｌ2 Ｏ3 濃度８．０質量％、ＮａＯＨ濃度３．５質量％になるように添加し、６０℃に加温し、溶液Ａを調製した。別の加温攪拌器に純水１５リットル入れ、硫酸チタン水溶液と硫酸アルミニウム水溶液をそれぞれ、ＴｉＯ2 濃度０．６質量％、Ａｌ2 Ｏ3 濃度３．０質量％になるように添加し、６０℃に加温し、溶液Ｂを調製した。この溶液Ｂを溶液Ａに添加し、ｐＨを７に調整して、チタニア−アルミナの共沈水和物のゲルを得、さらに６０℃にて１時間熟成した。その後、フィルターにてゲルに対し７０倍量の０．３質量％のアンモニア水で洗浄した。得られた濾過物に固形分が１２質量％になるように純水を添加し、さらにアンモニア水でｐＨを１１に調整し、加温攪拌器にて９０℃で１３時間熟成した。その後、ゲルを再びフィルターで濾過し、濾過物の１０倍量の純水で洗浄し、８０℃で捏和乾燥させ、押出機で１．５８ｍｍの円柱状に成形し、１２０℃で１５時間乾燥させ、５００℃で４時間焼成してチタニア−アルミナ担体（Ｂ３）を調製した。
【００４２】
次に、実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量）６ｇを添加して、吸水率０．７ｃｃ／ｇのチタニア−アルミナ担体（Ｂ３）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥させた後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒６を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
軽油留分の水素化処理
固定床流通反応装置の反応管に各触媒１〜５を１００ｃｃ充填した。原料油は水素ガスと共に反応管の下段から導入するアップフロー形式で流通させて反応性を評価した。前処理として第２表に示す性状の原料油［中東系直留軽油（ＬＧＯ）］にジメチルジスルフィドを加えて硫黄濃度を２．５質量％にしたものを水素ガスと共に２９０℃、２４時間流通させることにより該触媒を予備硫化した。予備硫化後、上記の原料油［中東系直留軽油（ＬＧＯ）］を水素ガスと共に流通させて水素化処理を行った。反応温度３３０〜３６０℃、水素分圧５ＭＰａ、水素／原料油比２５０Ｎｍ3 ／ｋｌ、ＬＨＳＶ１．５ｈｒ-1の条件で実施した。第３表に３３０〜３６０℃で評価した脱硫速度定数の平均値を用いて、比較例１（触媒４）の脱硫速度定数の平均値を１００とした相対脱硫活性を示す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表１】
【００４８】
【発明の効果】
本発明の水素化処理触媒は、従来の触媒よりも水素化脱硫が一層改良されでおり、炭化水素油、特に軽油の水素化処理に有効に利用される。
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素油の水素化処理触媒及び炭化水素油の水素化処理方法に関し、特に灯軽油留分をはじめとする炭化水素油などの水素化脱硫用触媒として有効な水素化処理触媒及び炭化水素油の水素化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球規模で環境破壊が極めて深刻な問題となっている。特に、石油類や石炭等の化石燃料の燃焼に伴って発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）を大気中に放出すると、これらが酸性雨や酸性霧となって森林や湖沼等の環境を著しく破壊する。なかでも、ＳＯｘが深刻であり、発生後の後処理によってある程度低減できるが、燃料油中の硫黄分を効率よく除去することも重要である。以上のように環境保護の観点から、軽油の硫黄分の品質規制が強化される中、脱硫のより一層優れた活性を有する水素化処理触媒の開発が望まれている。
【０００３】
従来より、軽油の水素化脱硫触媒としては、アルミナ等の耐火性無機酸化物担体にコバルトとモリブデンを担持した触媒が用いられている。その脱硫活性は活性金属であるモリブデンの状態に非常に左右されることが知られており、モリブデンの担持状態を改善するため、アルミナ以外の担体や、アルミナと他の酸化物を複合した担体が検討されている。その中でチタニア成分が脱硫活性を向上させることは知られており、チタンをアルミナに担持する方法、アルミナとチタニアを共沈させる方法がある。
【０００４】
チタンをアルミナへ担持する方法については、▲１▼四塩化チタン水溶液を用いて含浸する方法、▲２▼チタニウムイソプロポキシドのイソプロパノール溶液を用いて含浸する方法（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ，６３（１９９０）３０５−３１７）、および▲３▼飽和四塩化チタンをガス状に誘導し熱によりアルミナへ化学蒸着させる方法（特開平６−１０６０６１号公報）などが検討されている。
【０００５】
上記のチタンをアルミナに担持する方法、アルミナとチタニアを共沈させる方法いずれの場合でも、活性金属である周期律表第６族及び周期律表第８〜１０族の金属を担持した後、触媒体を５００℃程度の高温で焼成する過程を含んでおり、チタニア上の活性金属の凝集を引き起こす場合があり、触媒活性の低下につながるという問題がある。
【０００６】
さらに、▲２▼のケースでは、アルコールを使用するため、プロセスの中でアルコール回収工程が必要となり経済的に不利となる。また、▲３▼のケースでは、通常の溶液を用いた含浸法と異なり、ガスとして原料を送り込み、担体を一定の温度に制御したところへ分解担持させるという方法で、温度管理、設備面の管理等、複雑かつ製造設備面で困難が生じると考えられる。さらに、担体上に塩素が担持されてしまうため、該耐火性無機酸化物担体を高温かつ還元雰囲気で使用すると塩化水素が発生し装置腐食を引き起こす等の問題もある。
一方、アルミナとチタニアを共沈させる方法については、チタニアの添加量を１５質量％以上と大量でないとチタニアの効果は十分発揮されず経済的に不利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記観点からなされたもので、脱硫活性が一層改良された水素化処理触媒及びその触媒を使用する炭化水素油の水素化処理方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究の結果、水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、周期律表第６族金属化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種含む水溶液を含浸し担持した後、３００℃以下で熱処理することにより上記本発明の目的を効果的に達成しうることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨は下記のとおりである。
１．水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、三酸化モリブデン及び三酸化タングステンから選ばれる少なくとも一種、炭酸ニッケル及び炭酸コバルトから選ばれる少なくとも一種、並びにリン化合物として五酸化リン及び／又は正リン酸を含み、さらに水溶性有機化合物としてポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンフェニルエーテル及びポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一種を含む水溶液を含浸し担持した後、乾燥後、担持成分の凝集を生じさせず触媒の活性金属を担体に安定化させるために８０〜１５０℃で熱処理する炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
２．水溶性有機化合物がポリエチレングリコールである前記１に記載の炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
３．前記１又は２に記載の製造方法により得られた炭化水素油の水素化処理触媒を使用することを特徴とする炭化水素油の水素化処理方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本願発明は、水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、周期律表第６族金属化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種含む水溶液を含浸し担持した後、３００℃以下で熱処理してなる炭化水素油の水素化処理触媒である。
【００１１】
本発明において、耐火性無機酸化物として、アルミナ，シリカ，シリカ・アルミナ，マグネシア，酸化亜鉛，結晶性アルミノシリケート，粘土鉱物又はそれらの混合物が使用される。中でも、アルミナ、特にγ−アルミナが好ましい。その平均細孔径は５０〜１５０Åの範囲のものが好ましく、６０〜１４０Åの範囲のものがより好ましい。形状については、粉体でもよく、円柱，三つ葉，四つ葉等の成形体でもよい。
【００１２】
次に、耐火性無機酸化物に担持される周期律表第４族の金属としてチタン、ジルコニウムを挙げることができ、中でもチタンが好ましい。
水溶性の周期律表第４族金属の化合物として、硫酸チタン，塩化チタン，過酸化チタン、シュウ酸チタン，酢酸チタン，オキシ塩化ジルコニウム，硫酸ジルコニウム等の水溶性チタン、水溶性ジルコニウムを好適に挙げることができる。
【００１３】
水溶性の周期律第４族金属化合物の担持については、溶液を担体が吸水する量に調整して含浸する、所謂ポアフィリング法、または大過剰の溶液に浸漬する方法も用いることができ、常圧又は減圧で行うことができる。
【００１４】
その場合、含浸溶液としては、水または塩酸水溶液、硫酸水溶液などにより金属化合物を溶解させ、安定にしたものを使用すればよい。
また、特にチタンの場合、水溶性のチタン化合物として、チタンペルオキソヒドロキシカルボン酸やそのアンモニウム塩を使用するとチタンの添加の効果が大きく好ましい。そのヒドロキシカルボン酸として、クエン酸，リンゴ酸，乳酸，酒石酸を用いることができる。
【００１５】
上記周期律表第４族金属の担持量は、酸化物基準で、耐火性無機酸化物担体に対して、好ましくは０．５〜３０質量％（より好ましくは１〜１５質量％）である。担持量が少なすぎると、その金属添加の効果が十分発揮されない場合があり、担持量が多すぎると、担持する金属溶液が高濃度となって不安定となり、該金属の担体上への偏積もしくは凝集が生じる場合があり好ましくない。
【００１６】
周期律表第４族金属化合物の含浸終了後、水分を除去するために、常圧または減圧で、好ましくは５０〜１５０℃（より好ましくは１００〜１２０℃）の温度で、０．５〜１００時間乾燥させる。さらに、アルミナ担体との結合性を高めるために、必要により焼成を実施する。焼成温度は、好ましくは４００〜６５０℃（さらに好ましくは４５０〜６００℃）で、焼成時間は、通常０．５〜１００時間である。
【００１７】
また、陰イオンとして硫酸根や塩素根を含む場合、その陰イオンを５質量％以下にすることが、続いて担持する活性金属の分散性の低下による触媒の活性低下を抑制するために望ましい。そのためには、焼成の際空気の他に水蒸気を同伴させたり、乾燥の前又は焼成後に、水、又はアンモニアや炭酸アンモニアを添加した水で洗浄すればよい。なお、焼成後に洗浄を行った場合、再度乾燥を行う必要がある。
【００１８】
最後に、活性金属化合物として周期律表第６族化合物及び第８〜１０族金属化合物をそれぞれ少なくとも一種及び、必要によりリン化合物を担持する。
周期律表第６族金属として、モリブデン，タングステンが好適に挙げられ、特にモリブデンが好ましい。モリブデン化合物としては、三酸化モリブデン，パラモリブデン酸アンモニウム等が使用され、タングステン化合物としては、三酸化タングステン，タングステン酸アンモニウム等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で好ましくは４〜４０質量％、さらに好ましくは８〜３５質量％である。
【００１９】
周期律表第８〜１０族の金属として、通常、コバルト又はニッケルが挙げられる。ニッケル化合物としては、硝酸ニッケル，炭酸ニッケル等が使用され、コバルト化合物としては、硝酸コバルト，炭酸コバルト等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で好ましくは１〜１２質量％、さらに好ましくは２〜１０質量％である。
【００２０】
リン化合物としては、五酸化リン、正リン酸等が使用される。その担持量は酸化物基準、触媒体基準で０．５〜８質量％、好ましくは１〜６質量％である。
上記の活性金属化合物を含浸法により担持する。以上の周期律表第６族金属化合物、第８〜１０族金属化合物、リン化合物の３グループに属する金属化合物は別々に含浸してもよいが、同時に行うのが効率的である。上記の金属化合物を、周期律表第６族金属は０．７〜７．０モル／リットル、周期律表第８〜１０族の金属は０．３〜３．６モル／リットル、リン化合物は０〜２．２モル／リットルの割合で純水に溶解させ、担体に吸水率と等量になるように調整後含浸する。含浸時のｐＨは含浸液の安定性を考慮して一般には酸性領域では１〜４、好ましくは１．５〜３．５である。また、アルカリ性領域では９〜１２、好ましくは１０〜１１である。このｐＨの調整方法は特に限定されないが、硝酸，塩酸，硫酸等の無機酸、リンゴ酸，クエン酸，エチレンジアミン４酢酸等の有機酸、アンモニアなどを使用して行うことができる。
【００２１】
また、特にリン化合物で安定化させた含浸液には水溶性有機化合物を添加することが好ましい。
その水溶性有機化合物として、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、ブタントリオール、１，２−プロパンジオール、１，２−ペンタンジオール等のジオール類；５−メチル−１−ヘキサノール、イソアミルアルコール（３−メチル−１−ブタノール）、ｓ−イソアミルアルコール（３−メチル−２−ブタノール）、イソウンデシレンアルコール、イソオクタノール、イソペンタノール、イソゲランオール、イソヘキシルアルコール、２，４−ジメチル−１−ペンタノール、２，４，４−トリメチル−１−ペンタノール等の炭素数４以上のイソ体のアルコール；２−ヘキサノール、３−ヘキサノール等の炭素数５以上で末端の炭素以外にヒドロキシル基が結合しているアルコール；ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル等のエーテル基含有水溶性高分子；ポリビニルアルコール等の水溶性高分子；サッカロース、グルコース等の各種糖類；メチルセルロース、水溶性でんぷん等の水溶性多糖類もしくしはその誘導体などを挙げることができ、単独でも二種類以上を混合して使用することもできる。
【００２２】
上記の水溶性有機化合物の添加量は、担体の質量に対して、好ましくは、２〜２０質量％（より好ましくは３〜１５質量％）とすればよい。
含浸後、触媒の活性金属を担体に安定化させるために熱処理するが、その温度は３００℃以下で、好ましくは７０〜３００℃である。８０〜１５０℃の範囲が特に好ましい。熱処理温度が高すぎると、担持成分の凝集が生じ十分な活性を得ることができず、低すぎると、担持成分と担体と十分な結合を持つことができず十分な活性を得ることができない場合がある。上記の熱処理は空気中で行うもので、通常３〜１６時間である。
【００２３】
なお、耐火性無機酸化物に、チタン化合物として、チタンペルオキソヒドロキシカルボン酸やそのアンモニウム塩を担持している場合には、上記の熱処理を３００℃以上で行っても差し支えない。
【００２４】
上記で得られた触媒の平均細孔径は通常４０〜１４０Å、好ましくは６０〜１３０Åであり、比表面積は通常１２０〜４００ｍ2 ／ｇ、好ましくは１４０〜３５０ｍ2 ／ｇである。また、全細孔容量は通常０．２〜１．０ｃｃ／ｇ、好ましくは０．２５〜０．９ｃｃ／ｇである。
なお、上記の平均細孔径と全細孔容量は水銀圧入法で測定し、比表面積は窒素吸着法で測定したものである。
【００２５】
もう一つの発明は、上記の水素化触媒を使用した炭化水素油の水素化処理方法である。
水素化処理を行う際には、予め安定化処理として予備硫化を行うことが望ましい。この予備硫化処理の条件は特に限定されないが、通常、予備硫化剤として、硫化水素，二硫化炭素，チオフェン，ジメチルジスルフィド等を挙げることができ、処理温度２００〜４００℃、処理圧力常圧〜３０ＭＰａの範囲で行われる。
【００２６】
水素化処理条件については、原料油の種類や目的により異なるが、一般的には反応温度２００〜５５０℃（好ましくは２２０〜５００℃）、水素分圧１〜３０ＭＰａ（好ましくは２〜２５ＭＰａ）の範囲で行われる。
【００２７】
反応形式は特に限定されないが、通常は、固定床，移動床，沸騰床，懸濁床等の種々のプロセスから選択できるが、固定床が好ましい。また、原料油の流通法については、ダウンフロー、アップフローの両形式を採用することができる。
【００２８】
固定床の場合の温度、圧力以外の反応条件としては、液空間速度（ＬＨＳＶ）は０．０５〜１０ｈｒ-1（好ましくは０．１〜５ｈｒ-1）、水素／原料油比は１５０〜２，５００Ｎｍ3 ／ｋｌ（好ましくは２００〜２，０００Ｎｍ3 ／ｋｌ）である。
【００２９】
処理する炭化水素油として、全ての石油留分を用いることができるが、具体的には灯油，軽質軽油、重質軽油、分解軽油等から常圧残油，減圧残油，脱蝋減圧残油，アスファルテン油，タールサンド油まで巾広く挙げることができるが、軽油留分の硫黄分を５０ｐｐｍ以下にするのに本発明は特に有効である。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら制限されるものではない。
〔実施例１〕
吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇに、その吸水量に見合うように市販の硫酸チタン３０質量％水溶液５２．９ｇを純水にて希釈し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空にて乾燥させた後、１２０℃で３時間乾燥機にて乾燥させ、５００℃で４時間焼成し担体（Ｂ１）を得た。
【００３１】
該担体中の硫酸根（ＳＯ4 2- ）の残存量をＬＥＣＯ（高周波燃焼赤外検出装置）により測定し、その量が担体に対し５質量％以上であったため、２リットルのビーカーに担体Ｂ１を入れ、純水１リットルを加え、攪拌羽により攪拌洗浄し、担体の径より小さな篩に純水ごと注いだ。この操作を３回繰り返しところ、硫酸根の残存量が２質量％となった。その後、１２０℃で５時間乾燥させ、水分を除去した。
【００３２】
次に、炭酸ニッケル６９．５ｇ（ＮｉＯとして３９．７ｇ）、三酸化モリブデン２２０ｇ、正リン酸３１．５ｇ（純度８５％：Ｐ2 Ｏ5 として１９．５ｇ）を純水２５０ｃｃに加えて、攪拌しながら８０℃で溶解させ、室温に冷却後、再び純水を加えて２５０ｃｃに定容し、含浸液（Ｓ１）を調製した。
【００３３】
含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ１）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒１を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３４】
〔実施例２〕
四塩化チタン５００ｇ及びを純水１リットルを氷にて冷却しておいた。純水を攪拌しておき、そこに冷却しながら徐々に四塩化チタンを滴下した。激しい発熱・白煙を生じたが、その後、無色のチタニアゾルを得た。このチタニアゾル溶液に、１．２倍等量のアンモニア水（濃度：１モル／リットル）を滴下し、１時間攪拌し、水酸化チタンのゲルを得た。そのゲルを吸引濾過で分別し、約１リットルの純水に再分散させ濾過洗浄した。この操作を洗浄液が中性になるまで４回繰り返し、塩素根を取り除いた。
【００３５】
得られた水酸化チタンゲルの含水率を測定し、チタニアとして１１ｇ採取した。２５質量％アンモニア水を５０ｃｃ添加し、３０分間攪拌した。さらに、３０質量％過酸化水素水を３８ｃｃを徐々に添加し、黄色のチタンペルオキソチタン溶液を得た。それにクエン酸を２９ｇ徐々添加して、攪拌しながら徐々に昇温させ５０℃にて余剰の過酸化水素水を除去した。さらに、８０℃にて加熱し、錯体形成させることにより完全に溶解させ、次いで全量が１１７ｃｃになるまで濃縮し、橙色透明のチタンペルオキソクエン酸アンモニウム（Ｔ１）を得た。
【００３６】
吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇに、Ｔ１水溶液６０ｃｃをその吸水量に見合うように純水で希釈し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空にて乾燥後、１２０℃で３時間乾燥機にて乾燥させ、５００℃で４時間焼成し担体（Ｂ２）を得た。
【００３７】
次に、実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ２）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒２を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３８】
〔参考例１〕実施例２と同じ条件で担体（Ｂ２）を調製し、含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、担体（Ｂ２）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥させた後、１２０℃で３時間、続いて５００℃で３時間熱処理し、触媒３を得た。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００３９】
〔比較例１〕
実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量４００）６ｇを添加して、吸水率０．８ｃｃ／ｇのγ−アルミナ担体（Ａ１）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒４を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４０】
〔比較例２〕
実施例１において、活性金属を同様にして含浸した後、７０℃で１時間真空乾燥後、１２０℃で３時間、続いて５００℃で３時間熱処理し、触媒５を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４１】
〔比較例３〕
加温攪拌器に、６０℃の純水１５リットル入れ、アルミン酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムをそれぞれ、Ａｌ2 Ｏ3 濃度８．０質量％、ＮａＯＨ濃度３．５質量％になるように添加し、６０℃に加温し、溶液Ａを調製した。別の加温攪拌器に純水１５リットル入れ、硫酸チタン水溶液と硫酸アルミニウム水溶液をそれぞれ、ＴｉＯ2 濃度０．６質量％、Ａｌ2 Ｏ3 濃度３．０質量％になるように添加し、６０℃に加温し、溶液Ｂを調製した。この溶液Ｂを溶液Ａに添加し、ｐＨを７に調整して、チタニア−アルミナの共沈水和物のゲルを得、さらに６０℃にて１時間熟成した。その後、フィルターにてゲルに対し７０倍量の０．３質量％のアンモニア水で洗浄した。得られた濾過物に固形分が１２質量％になるように純水を添加し、さらにアンモニア水でｐＨを１１に調整し、加温攪拌器にて９０℃で１３時間熟成した。その後、ゲルを再びフィルターで濾過し、濾過物の１０倍量の純水で洗浄し、８０℃で捏和乾燥させ、押出機で１．５８ｍｍの円柱状に成形し、１２０℃で１５時間乾燥させ、５００℃で４時間焼成してチタニア−アルミナ担体（Ｂ３）を調製した。
【００４２】
次に、実施例１で調製した含浸液（Ｓ１）を５０ｃｃ採取し、ポリエチレングリコール（分子量）６ｇを添加して、吸水率０．７ｃｃ／ｇのチタニア−アルミナ担体（Ｂ３）１００ｇの吸水量に見合うように純水にて希釈・定容し、常圧にて含浸し、７０℃で１時間真空乾燥させた後、１２０℃で１６時間熱処理し、触媒６を調製した。その触媒組成と物性を第１表に示す。
【００４３】
【表１】
【表２】
軽油留分の水素化処理
固定床流通反応装置の反応管に各触媒１〜５を１００ｃｃ充填した。原料油は水素ガスと共に反応管の下段から導入するアップフロー形式で流通させて反応性を評価した。前処理として第２表に示す性状の原料油［中東系直留軽油（ＬＧＯ）］にジメチルジスルフィドを加えて硫黄濃度を２．５質量％にしたものを水素ガスと共に２９０℃、２４時間流通させることにより該触媒を予備硫化した。予備硫化後、上記の原料油［中東系直留軽油（ＬＧＯ）］を水素ガスと共に流通させて水素化処理を行った。反応温度３３０〜３６０℃、水素分圧５ＭＰａ、水素／原料油比２５０Ｎｍ3 ／ｋｌ、ＬＨＳＶ１．５ｈｒ-1の条件で実施した。第３表に３３０〜３６０℃で評価した脱硫速度定数の平均値を用いて、比較例１（触媒４）の脱硫速度定数の平均値を１００とした相対脱硫活性を示す。
【００４６】
【表３】
【表１】
【発明の効果】
本発明の水素化処理触媒は、従来の触媒よりも水素化脱硫が一層改良されでおり、炭化水素油、特に軽油の水素化処理に有効に利用される。
Claims (3)
- 水溶性の周期律表第４族金属化合物を含む溶液を耐火性無機酸化物に含浸し担持した担体に、三酸化モリブデン及び三酸化タングステンから選ばれる少なくとも一種、炭酸ニッケル及び炭酸コバルトから選ばれる少なくとも一種、並びにリン化合物として五酸化リン及び／又は正リン酸を含み、さらに水溶性有機化合物としてポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンフェニルエーテル及びポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一種を含む水溶液を含浸し担持した後、乾燥後、担持成分の凝集を生じさせず触媒の活性金属を担体に安定化させるために８０〜１５０℃で熱処理する炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
- 水溶性有機化合物がポリエチレングリコールである請求項１に記載の炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法。
- 請求項１又は２に記載の製造方法により得られた炭化水素油の水素化処理触媒を使用することを特徴とする炭化水素油の水素化処理方法。
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